【導讀】自動測試設備、機器自動化、工業和醫療儀器儀表等應用需要精密數據采集系統，以便準確分析并數字化物理或模擬信息。系統設計師為了實現高分辨率精密逐次逼近型(SAR) ADC數據手冊中列示的較高性能，常常不得不使用專用高功率、高速放大器來驅動其精密應用中的傳統型開關電容SAR ADC輸入。
這是設計精密數據采集信號鏈時遇到的常見難點，本文介紹的引腳兼容AD4000 ADC系列可解決此問題。該系列16/18/20位精密SAR ADC采用ADI高級技術和先進架構設計而成，集成了多種簡單易用的特性，提供很多系統級優勢，有助于降低信號鏈功耗和復雜性，提高通道密度，而性能并無明顯下降。高阻態模式、低輸入電流和長采集階段的獨特結合，降低了ADC驅動挑戰難度和對ADC驅動器的建立要求。因此，驅動ADC的放大器選擇可以拓寬到較低功率/帶寬的精密放大器，包括直流或低頻(<10 kHz)應用所用的JFET和儀表放大器。本文將介紹各種具有較低RC濾波器截止頻率的精密放大器，它們能直接驅動該ADC，同時實現較優性能，而且無需專用ADC驅動器級，大幅減少系統功耗、電路板面積和BOM成本。
驅動傳統SAR ADC輸入
圖1顯示了構建精密數據采集系統時使用的典型信號鏈。受開關電容輸入結構影響，高分辨率精密SAR ADC的驅動一直是系統設計人員的主要痛點和棘手問題。
圖1. 典型的精密數據采集信號鏈。
系統設計師需要密切關注ADC驅動器數據手冊，了解噪聲、失真、輸入/輸出電壓上裕量/下裕量、帶寬和建立時間等技術規格。一般地，采用的高速ADC驅動器需要具備寬帶寬、低噪聲和高功率等特征，以便在可用采集時間內建立SAR ADC輸入的開關電容反沖。這項要求會大幅減少可用于驅動ADC的放大器選擇，不得不在性能/功率/面積方面進行大幅妥協。另外，選擇一款合適的RC濾波器置于驅動器與ADC輸入之間，這項要求又對放大器選擇和性能構成了進一步的限制。ADC驅動器輸出與SAR ADC輸入之間需要用RC濾波器來限制寬帶噪聲，減少電荷反沖的影響。一般情況下，系統設計師需要花費大量時間去評估信號鏈，確保所選ADC驅動器和RC濾波器能切實驅動ADC，以實現所需性能。
如圖2中的時序圖所示，SAR ADC吞吐速率（1/周期時間）包括轉換和采集兩個階段，ADC產生的數據可利用串行SPI接口在采集階段輸出。在傳統SAR架構中，轉換階段通常較長而采集階段較短。在轉換階段，ADC電容DAC與ADC輸入斷開，以執行SAR轉換。輸入在采集階段重新連接，ADC驅動器必須在下一個轉換階段開始之前將非線性輸入反沖建立至正確的電壓。由于較低截止頻率的RC濾波器，ADC驅動器無法在可用采集時間內消除傳統SAR ADC反沖，ADC失真/線性度性能因而下降。
圖2. 傳統SAR ADC時序圖
圖3. AD4000 ADC系列時序圖，包括輸入反沖。
較長采集階段
AD4000 ADC系列的轉換時間非常短(290 ns)，ADC會在當前轉換過程結束前100 ns返回采集階段，因而采集階段較長，如圖3所示。即使高輸入阻抗(Z)模式禁用，從該ADC系列輸入端看到的非線性反沖也顯著降低；當高阻態模式使能時，非線性反沖降至幾乎可忽略不計的程度。這可以降低ADC驅動器的建立時間負擔，并且支持較低的RC截止頻率和較大R值，因此噪聲較高且/或功耗/帶寬較低的放大器也可以使用。這樣便可基于目標信號帶寬，而非基于開關電容輸入的建立要求來選擇ADC之前的放大器和RC濾波器。RC濾波器可以使用較大的R值和較小的對應C值，減少放大器穩定性問題，同時也不會大幅影響失真性能。較大的R值有助于在過壓情況下保護ADC輸入，并降低放大器的動態功耗。較長采集階段的另一個好處是它支持低SPI時鐘速率，從而可以降低輸入/輸出功耗，拓寬處理器/FPGA選擇范圍，簡化數字隔離要求，而ADC吞吐速率不受影響。
高阻態模式
AD4000 ADC系列集成了一個高阻態模式，在采集開始時，該模式可以在電容DAC切換回輸入時減少非線性電荷反沖。使能高阻態模式時，電容DAC在轉換結束時充電，以保持上次采樣的電壓。這一過程可以減少轉換過程的任何非線性電荷效應，該效應會影響到下次采樣前在ADC輸入端采集的電壓。高阻態模式的好處是無需專用高速ADC驅動器，可以選擇較低功率/帶寬的精密放大器，包括針對低頻(<10 kHz)或直流信號的JFET和儀表放大器。
圖4所示為 AD4003/AD4007/AD4011 在高阻態模式使能/禁用時的輸入電流。低輸入電流使ADC比市場上現有的傳統SAR ADC更易驅動，即便是在高阻態模式禁用的情況下。如果將圖4中高阻態模式禁用時的輸入電流與上一代 AD7982 ADC的輸入電流進行比較，會發現AD4007在1 MSPS條件下的輸入電流降低了4倍。高阻態模式使能時，輸入電流進一步降至亞微安級。
此ADC系列較低的輸入電流，使得我們能以比傳統SAR高得多的源阻抗來驅動它。這意味著，RC濾波器中的電阻值可以比傳統SAR設計大10倍。
圖4. 高阻態使能/禁用條件下AD4003/AD4007/AD4011 ADC輸入電流與輸入差分電壓的關系。
精密放大器直接驅動AD4000 ADC系列
對于多數系統，前端（非ADC本身）通常會限制信號鏈可以實現的整體交流/直流性能。從圖5和圖6所選的精密放大器數據手冊中可以看出，精密放大器自身的噪聲和失真性在某個輸入頻率下決定了SNR和THD規格。然而，這種帶高阻態模式的ADC系列極大地拓寬了驅動放大器的選擇范圍，包括信號調理級中使用的精密放大器，同時提高了RC濾波器選擇的靈活性，而且對于選定放大器，仍能實現較優性能。
圖5和圖6顯示了AD4003/AD4020 ADC的SNR和THD性能，采用低功耗 ADA4692-2 (IQUIESCENT = 180 μA/放大器)、低輸入偏置JFET ADA4610-1 (IQUIESCENT = 1.5 mA/放大器)和零交越失真 ADA4500-2 (IQUIESCENT = 1.55 mA/放大器)精密放大器，使用1 kHz輸入音驅動ADC輸入，基準電壓為5 V，以最高吞吐速率運行，高阻態模式使能和禁用兩種情況，并使用不同的RC濾波器值。使能高阻態模式時，對于260 kHz和498kHz的較低RC帶寬，ADA4692-2和ADA4610-1放大器可實現98 dB以上的典型SNR，這有助于在目標信號寬帶較低時，消除來自上游信號鏈組件的寬帶噪聲。根據應用要求，設計人員可以選擇合適的精密放大器來驅動ADC輸入。例如，ADA4692-2軌到軌放大器更適合便攜式、功耗敏感型應用，能夠直接驅動該ADC系列，同時仍能實現較優性能。
在高阻態模式使能的情況下使用此類放大器時，即便RC帶寬低于1.3 MHz，R值大于390 Ω，AD4003/AD4020 SNR也會提高至少10dB；RC濾波器截止頻率為4.42 MHz時，THD保持在–104 dB以上。注意，該ADC系列可利用最高吞吐速率來進行過采樣，從而以較低RC濾波器截止頻率實現更好的SNR性能。
圖5. AD4003/AD4020 SNR與RC帶寬的關系，使用ADA4692-2、ADA4610-1和ADA4500-2精密放大器， fIN = 1 kHz, REF = 5 V。
圖6. AD4003/AD4020 THD與RC帶寬的關系，使用ADA4692-2、ADA4610-1和ADA4500-2精密放大器， fIN = 1 kHz, REF = 5 V。
使能高阻態模式時，AD4003/AD4020通常會消耗2 mW/MSPS至2.5mW/MSPS的額外功耗，但這仍然顯著低于使用 ADA4807-1之類專用ADC驅動器時的功耗，而且這還能節省PCB面積和物料成本。系統設計師可以使用功耗低5.5倍的ADC驅動器ADA4692-2（相比ADA4807）；當高阻態模式禁用時，對于2.27 MHz和4.47 MHz RC帶寬，此ADC仍能實現約96 dB的典型SINAD。高阻態模式使能時，使用ADC驅動器驅動ADC，SNR/THD性能更好；高阻態模式禁用時，需要權衡ADC SNR/THD性能與RC濾波器截止頻率。
儀表放大器直接驅動AD4000 ADC系列
儀表放大器提供出色的精密性能、共模抑制和高輸入阻抗，可與傳感器直接接口，但小信號帶寬一般較低(<10 MHz)。利用SAR ADC和儀表放大器設計精密信號鏈（如ATE和醫療設備）的客戶，在將信號送至ADC輸入端之前，通常會使用信號調理或驅動器級，以便轉換電平和消除反沖。
圖7所示為AD8422 直接驅動AD4000的簡化框圖，高阻態模式使能，消除了驅動器級，節省了電路板空間。基于目標帶寬選擇優化的RC濾波器值600 Ω和25 nF，消除10 kHz以上的寬帶噪聲。AD8422的REF引腳偏置到VREF/2，并利用ADA4805進行緩沖以實現優質性能。對于100 Hz和1 kHz輸入信號，在增益（通過RG設置）為1（無RG）和10 (RG = 2.2 kΩ)時，此信號鏈提供最優SNR和THD性能。圖8和圖9顯示，當高阻態模式使能，增益為1和10，對于100 Hz輸入信號和最高2 MSPS的每種吞吐速率，ADC實現了91 dB以上的SNR和–96dB以上的THD。從圖8和圖9可看出，隨著ADC吞吐速率降低，采集時間更長，有利于消除輸入反沖，因此SNR和THD性能略有提高。
圖7. 儀表放大器AD8422 (G = 1)直接驅動AD4000精密SAR ADC的簡化框圖。
圖8. AD4000 SNR與吞吐速率的關系，AD8422配置增益為1和10，高阻態模式使能。
圖9. AD4000 THD與吞吐速率的關系，AD8422配置增益為1和10，高阻態模式使能。
結語
表1顯示了不同速度和輸入類型的AD4000系列引腳兼容、低功耗16/18/20位精密SAR ADC，這些器件集易用特性和精密性能于一體，有助于設計人員解決系統級技術難題。
表1. AD4000系列引腳兼容精密SAR ADC
AD4000 ADC系列的高阻態模式、低輸入電流和較長采集階段的獨特組合，簡化了驅動要求，消除了專用高速ADC驅動器級，有助于節省PCB面積、功耗和BOM成本，同時拓寬了ADC驅動器選擇范圍。此外，這些特點使得設計人員可根據目標帶寬優化RC濾波器值，減輕對寬帶噪聲、放大器穩定性、ADC輸入保護和動態功耗的擔心。本文說明了精密放大器的各種使用情形，包括儀表放大器直接驅動該ADC系列輸入，并解釋了該系列產品如何有助于解決常見系統級問題，而不會顯著影響精密性能。
（來源： 亞德諾半導體）
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